Le cellule cancerose “mutanti” rivelano come i tumori invadono i tessuti densi / “Shape-Shifting” Cancer Cells Reveal How Tumors Invade Dense Tissue

 Le cellule cancerose “mutanti” rivelano come i tumori invadono i tessuti densi / “Shape-Shifting” Cancer Cells Reveal How Tumors Invade Dense Tissue

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Le cellule tumorali devono superare una sfida meccanica durante la loro migrazione attraverso il corpo. Per sviluppare metastasi letali, singole o raggruppate, le cellule tumorali devono spingere, schiacciare o scavare la strada attraverso tessuti pieni di pori stretti che spesso misurano solo una frazione del diametro del nucleo. Sebbene i ricercatori abbiano da tempo compreso che le cellule tumorali passano da una strategia di invasione all'altra, i parametri fisici che guidano queste decisioni sono rimasti poco definiti.

Un nuovo studio pubblicato su Biomicrofluidics affronta un tassello mancante fondamentale di questo puzzle: il rapporto tra la deformabilità cellulare e la capacità di una cellula tumorale di muoversi attraverso spazi ristretti. Confrontando due linee cellulari tumorali mesenchimali – cellule di fibrosarcoma HT1080 e cellule di melanoma MV3 – i ricercatori hanno creato un sistema microfluidico controllato per testare la facilità di deformazione di ciascun tipo cellulare, l'efficienza con cui migrano attraverso le costrizioni e se la deformabilità influenzi i percorsi scelti. Gli autori scrivono: "In questo lavoro, abbiamo studiato il legame tra deformabilità cellulare ed efficacia della migrazione nelle costrizioni di due tipi di cellule tumorali mesenchimali con strategie di invasione simili".

Le metastasi rimangono una delle caratteristiche più letali del cancro, responsabili di oltre il 90% della mortalità correlata al cancro. E sebbene i tumori siano spesso considerati biologicamente aggressivi, la loro invasività fisica è sorprendentemente inefficiente: la maggior parte delle cellule muore sotto stress meccanico od attacco immunitario prima ancora di formare un nuovo tumore. Come osserva l'articolo, "Lo stress meccanico deriva dall'invasione cellulare nei tessuti densi, dove le piccole dimensioni dei pori costringono le cellule a deformarsi ed a 'comprimersi'". Quando i nuclei si allungano troppo, l'involucro nucleare può rompersi, causando danni al DNA e limitando la migrazione delle singole cellule, a meno che le cellule non si adattino.

Le cellule tumorali sono eccezionalmente plastiche. Possono utilizzare enzimi proteolitici per degradare i tessuti circostanti, passare ad una motilità ameboide più rapida, utilizzare un meccanismo a "pistone nucleare" per forzare il nucleo in avanti o passare dalla migrazione unicellulare a quella collettiva. Tuttavia, nonostante le numerose prove di questi cambiamenti strategici, gli autori sottolineano che "non è ancora chiaro come le cellule scelgano tra diverse strategie di invasione per evitare l'arresto fisico".

Il nuovo studio si basa su lavori precedenti che dimostrano che le cellule HT1080 e MV3 subiscono una transizione simile dall'invasione singola a quella collettiva quando le dimensioni dei pori scendono al di sotto di una soglia oltre la quale le cellule devono iniziare a deformarsi significativamente. Nello studio precedente, le cellule HT1080 erano meno dipendenti dalla degradazione della matrice rispetto alle cellule MV3 e un numero maggiore di cellule singole di fibrosarcoma era in grado di invadere anche con pori di piccole dimensioni. I ricercatori hanno cercato di capirne il motivo. Come spiegano, "Ipotizziamo che le cellule HT1080 siano meno dipendenti dalle transizioni della modalità di migrazione in reti dense a causa di una maggiore capacità di passare attraverso spazi ristretti rispetto alle cellule MV3, e che ciò derivi da una differenza nella deformabilità cellulare tra i due tipi cellulari".

Per testare questa teoria, il gruppo ha progettato due piattaforme microfluidiche complementari. Un sistema ad alto rendimento ha misurato la deformazione delle cellule quando forzate attraverso "costrizioni delle dimensioni di un vaso da un flusso", mentre un secondo sistema ha ricreato geometrie confinate che imitano la migrazione attraverso i pori dei tessuti. Questi dispositivi standardizzati hanno eliminato la variabilità intrinseca alle reti di collagene, la cui naturale eterogeneità può oscurare l'interpretazione meccanicistica. Come spiegano gli autori, "Al contrario, gli ambienti con geometria dei pori standardizzata ci consentono di isolare gli effetti meccanici dalla variabilità nelle dimensioni, nella forma e nella distribuzione dei pori".

I risultati hanno offerto chiare distinzioni biofisiche tra i due tipi di cellule tumorali. Utilizzando il dispositivo di deformabilità, il gruppo ha scoperto che "le cellule HT1080 erano più deformabili delle cellule MV3, soprattutto per le dimensioni cellulari più grandi... dove la deformabilità era costantemente maggiore rispetto alle cellule più piccole". Nel dispositivo di migrazione, le differenze erano ancora più pronunciate: "Le cellule HT1080 erano più efficaci nell'attraversare le costrizioni rispetto alle cellule MV3, con una percentuale maggiore di cellule che attraversavano (rispettivamente il 78% contro il 52%) ed anche più velocemente".

Nonostante queste differenze, la deformabilità non ha influenzato significativamente il percorso scelto dalle cellule quando hanno incontrato canali biforcanti di diverse larghezze. Gli autori riportano: "Una maggiore deformabilità ed una migliore capacità di compressione non hanno influenzato la selezione del percorso alle giunzioni di canali di diverse larghezze". Entrambi i tipi di cellule hanno preferito canali più larghi, ma questa preferenza si è indebolita con il restringimento della geometria complessiva. In definitiva, "la deformabilità cellulare è correlata a migliori capacità di compressione attraverso i confinamenti, ma ha un impatto minimo sulla direzionalità del confinamento".

I risultati affinano il modo in cui i ricercatori comprendono i determinanti fisici delle metastasi. Piuttosto che dettare il percorso intrapreso da una cellula tumorale, la deformabilità regola l'efficacia con cui riesce a superare ambienti meccanicamente restrittivi e può influenzare la necessità di ricorrere a strategie di invasione proteolitica o collettiva in caso di arresto fisico.

Le implicazioni vanno oltre la meccanobiologia di base, toccando la previsione clinica e la resistenza alla terapia. Gli autori scrivono: "Acquisire una comprensione più approfondita di come i parametri fisici delle cellule tumorali siano correlati all'efficacia della migrazione, alle strategie di invasione ed alla resistenza alla terapia può essere di grande valore per le applicazioni cliniche". Studi precedenti hanno dimostrato che il fenotipo della deformabilità può predire le risposte al trattamento nella leucemia o la prognosi delle cellule tumorali circolanti, suggerendo un potenziale valore diagnostico. Inoltre, "studi recenti hanno anche rivelato che l'invasione collettiva in vivo può creare nicchie resistenti alle radiazioni", evidenziando come i tratti meccanici possano essere alla base del fallimento della terapia.

ENGLISH

Cancer cells must navigate a mechanical gauntlet as they migrate through the body. To establish deadly metastases, individual or clustered tumor cells must push, squeeze, or carve their way through tissues filled with narrow pores that often measure only a fraction of the nucleus’s diameter. Although researchers have long understood that cancer cells switch among multiple invasion strategies, the physical parameters guiding those decisions have remained poorly defined.

A new study published in Biomicrofluidics addresses a key missing piece of this puzzle: how cell deformability relates to a cancer cell’s ability to move through tight spaces. By comparing two mesenchymal cancer cell lines—HT1080 fibrosarcoma cells and MV3 melanoma cells—the researchers created a controlled microfluidic system to test how readily each cell type deforms, how efficiently they migrate through constrictions, and whether deformability affects the paths they choose. The authors write, “In this work, we investigated the link between cell deformability and migration efficacy in constrictions of two mesenchymal cancer cell-types with similar invasion strategies.”

Metastasis remains one of the deadliest features of cancer, responsible for over 90% of cancer-related mortality. And while tumors are often thought of as biologically aggressive, their physical invasiveness is surprisingly inefficient: most cells die under mechanical stress or immune attack before ever establishing a new tumor. As the paper notes, “Mechanical stress arises from cells invading into dense tissues, where small pore sizes force cells to deform and ‘squeeze.’” When nuclei stretch too far, the nuclear envelope can rupture, causing DNA damage and limiting single-cell migration—unless cells adapt.

Cancer cells are exceptionally plastic. They can deploy proteolytic enzymes to degrade surrounding tissue, switch to faster amoeboid motility, employ a “nuclear piston” mechanism to force the nucleus forward, or transition from single-cell to collective migration. Yet despite extensive evidence for these strategic changes, the authors emphasize that “it remains unclear how cells select between different invasion strategies to avoid physical arrest.”

The new study builds on earlier work showing that HT1080 and MV3 cells undergo a similar transition from single-cell to collective invasion when pore sizes fall below a threshold at which cells must begin to deform significantly. In the prior study, HT1080 cells were less dependent on matrix degradation than MV3 cells, and more single fibrosarcoma cells were able to invade even at small pore sizes. The researchers sought to understand why. As they explain, “We hypothesize that HT1080 cells are less dependent on the migration mode transitions in dense networks because of a higher ability to squeeze through narrow confinements compared to MV3 cells, and that this stems from a difference in cell deformability between the two cell types.”

To test this, the team designed two complementary microfluidic platforms. One high-throughput system measured how cells deform when forced through “vessel-sized constrictions by a flow,” while a second system recreated confined geometries that mimic migration through tissue pores. These standardized devices eliminated the variability inherent to collagen networks, whose natural heterogeneity can obscure mechanistic interpretation. As the authors explain, “In contrast, environments with standardized pore geometry allow us to isolate mechanical effects from variability in pore size, shape, and distribution.”

The results offered clear biophysical distinctions between the two cancer cell types. Using the deformability device, the team discovered that “the HT1080 cells were more deformable than MV3 cells, especially for larger cell sizes… where deformability was consistently larger than for smaller cells.” In the migration device, the differences were even more pronounced: “HT1080 cells were better at crossing constrictions compared to MV3 cells, with a larger fraction of cells crossing (78% vs. 52%, respectively) and also crossing faster.”

Despite these differences, deformability did not strongly influence which path cells chose when encountering bifurcating channels of different widths. The authors report, “Higher deformability and improved squeezing ability did not impact path selection at junctions of channels of different widths.” Both cell types preferred wider channels, but this preference weakened as the overall geometry narrowed. Ultimately, “cell deformability correlates with better squeezing abilities through confinements, but minimally impacts confinement directionality.”

The findings refine how researchers understand physical determinants of metastasis. Rather than dictating the route a cancer cell takes, deformability governs how effectively it can pass through mechanically restrictive environments—and may influence whether a cell must switch to proteolytic or collective invasion strategies when encountering physical arrest.

The implications extend beyond basic mechanobiology, touching on clinical forecasting and therapy resistance. The authors write, “Gaining a deeper understanding of how the physical parameters of cancer cells relate to migration efficacy, invasion strategies, and therapy resistance can be of great value for clinical applications.” Prior studies have shown that deformability phenotyping can predict treatment responses in leukemia or prognosis from circulating tumor cells, hinting at potential diagnostic value. Moreover, “recent work also revealed that collective invasion in vivo can create radiation-resistant niches,” highlighting how mechanical traits may underlie therapy failure.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/oncology/shape-shifting-cancer-cells-reveal-how-tumors-invade-dense-tissue/